超前支護(hù)液壓系統(tǒng)探究
1液壓系統(tǒng)的總體設(shè)計
支架組由前，后支架及中間推移機構(gòu)組成。前架全部油缸采用本架手動先導(dǎo)控制，后架立柱采用本架手動先導(dǎo)控制與鄰架手動先導(dǎo)控制，其他油缸采用本架手動先導(dǎo)控制，中間推移機構(gòu)油缸由前架控制。
1.1支架主要回路設(shè)計
?。?）進(jìn)回液回路設(shè)計
從工作面主進(jìn)液管路過來的高壓液經(jīng)三通分流，分別經(jīng)自鎖球形截止閥，反沖洗過濾器，進(jìn)入前，后架操縱閥組；前，后架操縱閥組的回液分別經(jīng)回液斷路閥到主回液管，保證了前，后架管路的獨立性。
?。?）前架立柱升降回路設(shè)計
前架立柱升降回路完成立柱的升柱，降柱，原理如所示。進(jìn)，回液均采用DN12管路，4根立柱分前，后排由本架手動先導(dǎo)控制，每根立柱配FDY480/50液控單向閥和500L安全閥。
?。?）后架立柱升降回路設(shè)計
后架立柱按設(shè)計要求，本架和前架都能完成立柱的升柱，降柱。因此，進(jìn)，回液管路加裝交替單向閥，原理如所示。進(jìn)回液均采用DN12管路，4根立柱分前，后排可由本架手動先導(dǎo)控制和前架手動先導(dǎo)控制，每根立柱配FDY480/50液控單向閥和500L安全閥。
（4）其他千斤頂回路設(shè)計
支架一，二級側(cè)翻梁千斤頂管路加裝液控雙向鎖閉鎖油缸的上，下腔，并且在活塞腔安裝阻尼彎頭限制液體的流量。斜撐千斤頂管路加裝液控單向鎖閉鎖油缸的下腔。底調(diào)千斤頂管路加裝液控單向鎖閉鎖油缸的上腔。
1.2支架主要液壓元件的選用
?。?）操縱閥的選用
支架選用18功能和12功能OHE手動先導(dǎo)閥。該閥采用緊湊的整體式結(jié)構(gòu)，先導(dǎo)閥進(jìn)液管路設(shè)液控單向閥和高精度過濾（Web中數(shù)據(jù)過濾辦法研討）器，回液管路設(shè)液控單向閥，保證先導(dǎo)閥用液的清潔度。其中，前架操縱閥組由2組18功能和1組12功能OHE手動先導(dǎo)閥組成，后架操縱閥組由2組18功能OHE手動先導(dǎo)閥組成。
?。?）反沖洗過濾器的選用
反沖洗過濾器包含過濾器閥殼和過濾器元件，主要用于支架高壓乳化液的過濾，大于過濾器過濾精度的雜質(zhì)顆粒會被擋住和截留，保證了乳化液的質(zhì)量。采用反沖洗過濾器的液壓支架液壓系統(tǒng)可使液壓元件特別是易損件的使用壽命顯著提高，大大降低液壓系統(tǒng)的故障率，改善支架的綜合性能。
從泵站輸出的高壓乳化液，經(jīng)泵站過濾裝置和高壓過濾站，到達(dá)工作面支架。高壓乳化液從反沖洗過濾器的P1口進(jìn)入，經(jīng)2個并聯(lián)濾芯的過濾從P2口流出，通過控制閥控制千斤頂?shù)膭幼?，如所示。乳化液中的污染物被擋在濾芯外側(cè)，扳動左側(cè)的手柄，改變球閥的液流方向，使右側(cè)高壓液由左側(cè)濾芯反向高速流出，將左側(cè)濾芯外部的雜質(zhì)由排污口沖出，如需沖洗右側(cè)濾芯，對右側(cè)手柄進(jìn)行同樣操作即可。
?。?）交替單向閥的選用
支架組后架的立柱即要求本架能控制，又要求前架能控制，為滿足設(shè)計要求，后架立柱管路中需加裝交替單向閥。本系統(tǒng)采用定向回液交替單向閥，要求低壓液定向回液到本架。
2使用中存在的問題及改進(jìn)
2.1地面組裝試驗中出現(xiàn)的問題
地面組裝試驗中，當(dāng)后架組裝完畢試驗時，出現(xiàn)立柱導(dǎo)向套損壞，主要原因是由于立柱回路接有交替單向閥，最初設(shè)計低壓液定向回液到前架，在后架單架試驗時由于前架斷開，回液不通，立柱上腔壓力急劇增大，導(dǎo)致缸口處發(fā)生塑性變形，造成立柱缸口和導(dǎo)向套損壞，導(dǎo)向套被拉出。為避免單架操作回液不通，低壓液定向回液到本架。
2.2井下使用中出現(xiàn)的問題。
?。?）一，二級側(cè)翻梁動作太快
最初設(shè)計一，二級側(cè)翻油缸接孔徑為準(zhǔn)3mm阻尼插，彎頭，但在井下使用中，動作仍然較快。為此，將阻尼插，彎頭孔徑由準(zhǔn)3mm改為準(zhǔn)2mm，并接在油缸的活塞腔。
阻尼插，彎頭孔口的長徑比l/d>4，為細(xì)長孔。通過細(xì)長孔的液流為層流，其流量可用哈根-泊肅葉公式計算，即q=πd4128ηlΔp式中d―――阻尼孔孔徑；η―――油液黏度；Δp―――阻尼孔前后的壓力差。
阻尼孔前后的壓差Δp可以按局部壓力損失公式進(jìn)行計算，即Δp=ζρv22式中ζ―――局部阻力系數(shù)，管道縮小處的局部阻力系數(shù)；ρ―――液體密度；v―――液體的平均流速。
可見，液體流經(jīng)阻尼插，彎頭孔口的流量與阻尼孔前后的壓差Δp成正比，并受油液黏度η變化的影響，與孔徑的四次方成正比?？梢姰?dāng)阻尼孔徑由準(zhǔn)3mm改為準(zhǔn)2mm，其流量將大大減小。
?。?）側(cè)翻油缸出現(xiàn)導(dǎo)向套損壞
井下使用中出現(xiàn)一，二級側(cè)翻梁油缸導(dǎo)向套被拉出而損壞。為此，對導(dǎo)向套螺紋處的強度進(jìn)行了驗算。
缸筒與導(dǎo)向套用螺紋連接時，導(dǎo)向套螺紋處的強度計算如下：
螺紋處的拉應(yīng)力σ=KFπ4（D2-d2）×10-6
螺紋處的剪應(yīng)力τ=K1KFd00.2（D3-d3）×10-6
合成應(yīng)力σn=σ2 3τ2≤σp
許用應(yīng)力σp=σsn0
式中F―――缸筒端部承受的最大推力，N；
D―――缸筒外徑；
d1―――螺紋大徑；
d0―――螺紋小徑；
K―――擰緊螺紋的系數(shù)，取K=1.4；
K1―――螺紋連接的摩擦因數(shù)，取K1=0.12；
σs―――缸筒材料的屈服極限，45鋼屈服極限為345MPa；
n0―――許用安全系數(shù)，取n0=1.75；
側(cè)翻梁油缸規(guī)格為準(zhǔn)80/準(zhǔn)60，導(dǎo)向套螺紋公稱直徑為M85×2.經(jīng)計算導(dǎo)向套螺紋處安全系數(shù)為1.95>1.75.從設(shè)計上看，強度滿足要求，但安全系數(shù)稍微偏低。當(dāng)一，二級側(cè)翻油缸動作較快時會對導(dǎo)向套造成持續(xù)沖擊，在沖擊載荷的作用下就可能出現(xiàn)導(dǎo)向套損壞。因此，將油缸活塞腔阻尼插頭孔徑由準(zhǔn)3mm改為準(zhǔn)2mm以降低側(cè)翻油缸的動作速度，并將導(dǎo)向套材料改為40Cr來增大安全系數(shù)。
40Cr屈服極限為490MPa，導(dǎo)向套螺紋處安全系數(shù)為2.77.
3結(jié)語
該型支架組液壓系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)后，現(xiàn)已經(jīng)有十幾組正在井下使用，現(xiàn)場使用表明該支架組液壓系統(tǒng)設(shè)計合理，操作維護(hù)方便，故障率低，滿足了現(xiàn)場使用要求。由于該液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨著向各種地質(zhì)條件的推廣應(yīng)用，手動先導(dǎo)控制將不能滿足使用要求，遠(yuǎn)程控制和電液控制將是系統(tǒng)改進(jìn)完善的一個方向。
支架組由前，后支架及中間推移機構(gòu)組成。前架全部油缸采用本架手動先導(dǎo)控制，后架立柱采用本架手動先導(dǎo)控制與鄰架手動先導(dǎo)控制，其他油缸采用本架手動先導(dǎo)控制，中間推移機構(gòu)油缸由前架控制。
1.1支架主要回路設(shè)計
?。?）進(jìn)回液回路設(shè)計
從工作面主進(jìn)液管路過來的高壓液經(jīng)三通分流，分別經(jīng)自鎖球形截止閥，反沖洗過濾器，進(jìn)入前，后架操縱閥組；前，后架操縱閥組的回液分別經(jīng)回液斷路閥到主回液管，保證了前，后架管路的獨立性。
?。?）前架立柱升降回路設(shè)計
前架立柱升降回路完成立柱的升柱，降柱，原理如所示。進(jìn)，回液均采用DN12管路，4根立柱分前，后排由本架手動先導(dǎo)控制，每根立柱配FDY480/50液控單向閥和500L安全閥。
?。?）后架立柱升降回路設(shè)計
后架立柱按設(shè)計要求，本架和前架都能完成立柱的升柱，降柱。因此，進(jìn)，回液管路加裝交替單向閥，原理如所示。進(jìn)回液均采用DN12管路，4根立柱分前，后排可由本架手動先導(dǎo)控制和前架手動先導(dǎo)控制，每根立柱配FDY480/50液控單向閥和500L安全閥。
（4）其他千斤頂回路設(shè)計
支架一，二級側(cè)翻梁千斤頂管路加裝液控雙向鎖閉鎖油缸的上，下腔，并且在活塞腔安裝阻尼彎頭限制液體的流量。斜撐千斤頂管路加裝液控單向鎖閉鎖油缸的下腔。底調(diào)千斤頂管路加裝液控單向鎖閉鎖油缸的上腔。
1.2支架主要液壓元件的選用
?。?）操縱閥的選用
支架選用18功能和12功能OHE手動先導(dǎo)閥。該閥采用緊湊的整體式結(jié)構(gòu)，先導(dǎo)閥進(jìn)液管路設(shè)液控單向閥和高精度過濾（Web中數(shù)據(jù)過濾辦法研討）器，回液管路設(shè)液控單向閥，保證先導(dǎo)閥用液的清潔度。其中，前架操縱閥組由2組18功能和1組12功能OHE手動先導(dǎo)閥組成，后架操縱閥組由2組18功能OHE手動先導(dǎo)閥組成。
?。?）反沖洗過濾器的選用
反沖洗過濾器包含過濾器閥殼和過濾器元件，主要用于支架高壓乳化液的過濾，大于過濾器過濾精度的雜質(zhì)顆粒會被擋住和截留，保證了乳化液的質(zhì)量。采用反沖洗過濾器的液壓支架液壓系統(tǒng)可使液壓元件特別是易損件的使用壽命顯著提高，大大降低液壓系統(tǒng)的故障率，改善支架的綜合性能。
從泵站輸出的高壓乳化液，經(jīng)泵站過濾裝置和高壓過濾站，到達(dá)工作面支架。高壓乳化液從反沖洗過濾器的P1口進(jìn)入，經(jīng)2個并聯(lián)濾芯的過濾從P2口流出，通過控制閥控制千斤頂?shù)膭幼?，如所示。乳化液中的污染物被擋在濾芯外側(cè)，扳動左側(cè)的手柄，改變球閥的液流方向，使右側(cè)高壓液由左側(cè)濾芯反向高速流出，將左側(cè)濾芯外部的雜質(zhì)由排污口沖出，如需沖洗右側(cè)濾芯，對右側(cè)手柄進(jìn)行同樣操作即可。
?。?）交替單向閥的選用
支架組后架的立柱即要求本架能控制，又要求前架能控制，為滿足設(shè)計要求，后架立柱管路中需加裝交替單向閥。本系統(tǒng)采用定向回液交替單向閥，要求低壓液定向回液到本架。
2使用中存在的問題及改進(jìn)
2.1地面組裝試驗中出現(xiàn)的問題
地面組裝試驗中，當(dāng)后架組裝完畢試驗時，出現(xiàn)立柱導(dǎo)向套損壞，主要原因是由于立柱回路接有交替單向閥，最初設(shè)計低壓液定向回液到前架，在后架單架試驗時由于前架斷開，回液不通，立柱上腔壓力急劇增大，導(dǎo)致缸口處發(fā)生塑性變形，造成立柱缸口和導(dǎo)向套損壞，導(dǎo)向套被拉出。為避免單架操作回液不通，低壓液定向回液到本架。
2.2井下使用中出現(xiàn)的問題。
?。?）一，二級側(cè)翻梁動作太快
最初設(shè)計一，二級側(cè)翻油缸接孔徑為準(zhǔn)3mm阻尼插，彎頭，但在井下使用中，動作仍然較快。為此，將阻尼插，彎頭孔徑由準(zhǔn)3mm改為準(zhǔn)2mm，并接在油缸的活塞腔。
阻尼插，彎頭孔口的長徑比l/d>4，為細(xì)長孔。通過細(xì)長孔的液流為層流，其流量可用哈根-泊肅葉公式計算，即q=πd4128ηlΔp式中d―――阻尼孔孔徑；η―――油液黏度；Δp―――阻尼孔前后的壓力差。
阻尼孔前后的壓差Δp可以按局部壓力損失公式進(jìn)行計算，即Δp=ζρv22式中ζ―――局部阻力系數(shù)，管道縮小處的局部阻力系數(shù)；ρ―――液體密度；v―――液體的平均流速。
可見，液體流經(jīng)阻尼插，彎頭孔口的流量與阻尼孔前后的壓差Δp成正比，并受油液黏度η變化的影響，與孔徑的四次方成正比?？梢姰?dāng)阻尼孔徑由準(zhǔn)3mm改為準(zhǔn)2mm，其流量將大大減小。
?。?）側(cè)翻油缸出現(xiàn)導(dǎo)向套損壞
井下使用中出現(xiàn)一，二級側(cè)翻梁油缸導(dǎo)向套被拉出而損壞。為此，對導(dǎo)向套螺紋處的強度進(jìn)行了驗算。
缸筒與導(dǎo)向套用螺紋連接時，導(dǎo)向套螺紋處的強度計算如下：
螺紋處的拉應(yīng)力σ=KFπ4（D2-d2）×10-6
螺紋處的剪應(yīng)力τ=K1KFd00.2（D3-d3）×10-6
合成應(yīng)力σn=σ2 3τ2≤σp
許用應(yīng)力σp=σsn0
式中F―――缸筒端部承受的最大推力，N；
D―――缸筒外徑；
d1―――螺紋大徑；
d0―――螺紋小徑；
K―――擰緊螺紋的系數(shù)，取K=1.4；
K1―――螺紋連接的摩擦因數(shù)，取K1=0.12；
σs―――缸筒材料的屈服極限，45鋼屈服極限為345MPa；
n0―――許用安全系數(shù)，取n0=1.75；
側(cè)翻梁油缸規(guī)格為準(zhǔn)80/準(zhǔn)60，導(dǎo)向套螺紋公稱直徑為M85×2.經(jīng)計算導(dǎo)向套螺紋處安全系數(shù)為1.95>1.75.從設(shè)計上看，強度滿足要求，但安全系數(shù)稍微偏低。當(dāng)一，二級側(cè)翻油缸動作較快時會對導(dǎo)向套造成持續(xù)沖擊，在沖擊載荷的作用下就可能出現(xiàn)導(dǎo)向套損壞。因此，將油缸活塞腔阻尼插頭孔徑由準(zhǔn)3mm改為準(zhǔn)2mm以降低側(cè)翻油缸的動作速度，并將導(dǎo)向套材料改為40Cr來增大安全系數(shù)。
40Cr屈服極限為490MPa，導(dǎo)向套螺紋處安全系數(shù)為2.77.
3結(jié)語
該型支架組液壓系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)后，現(xiàn)已經(jīng)有十幾組正在井下使用，現(xiàn)場使用表明該支架組液壓系統(tǒng)設(shè)計合理，操作維護(hù)方便，故障率低，滿足了現(xiàn)場使用要求。由于該液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨著向各種地質(zhì)條件的推廣應(yīng)用，手動先導(dǎo)控制將不能滿足使用要求，遠(yuǎn)程控制和電液控制將是系統(tǒng)改進(jìn)完善的一個方向。
